マウス心臓における光遺伝学的マルチサイト光刺激の適用による高度な心調律管理

要約

本研究では、トランスジェニックチャネルロドプシン-2(ChR2)マウスの無傷マウス心臓の心調律を、マイクロLEDアレイによる局所光刺激と心外膜電位の同時光学マッピングを用いて制御する方法を報告する。

要約

心室頻脈性不整脈は、世界中の死亡率と罹患率の主な原因です。高エネルギー電気ショックを用いた電気除細動は、現在、生命を脅かす心室細動の唯一の治療法です。しかし、除細動は耐え難い痛み、組織の損傷、予後の悪化などの副作用をもたらす可能性があり、より穏やかな心調律管理戦略の開発に対する重要な医学的必要性を示しています。エネルギーを低減する電気的アプローチに加えて、心臓オプトジェネティクスは、光感受性膜イオンチャネルと光パルスを使用して心臓の活動に影響を与える強力なツールとして導入されました。本研究では、ランゲンドルフ灌流された無傷のマウス心臓の光刺激を成功させるための堅牢で有効な方法を、3 x 3アレイのマイクロ発光ダイオード(マイクロLED)を適用したマルチサイトペーシングに基づいて説明します。心外膜電圧波の同時光学マッピングにより、領域特異的刺激の効果を調査し、新たに誘発された心臓活動を現場で直接評価することができます。得られた結果は、除細動の有効性が心不整脈の間の光刺激のために選択されたパラメータに強く依存することを示している。心臓の照明領域が重要な役割を果たすことが実証されます 終了の成功と、 不整脈パターンを変更するための照明中の心臓活動の標的制御をどのように達成できるか。要約すると、この技術は、心調律のリアルタイムフィードバック制御に向かう途中で現場でのメカニズム操作を最適化する可能性を提供し、領域特異性に関して、非特異的な電気ショックアプリケーションの使用と比較して心臓系への潜在的な害を減らすための新しいアプローチを提供します。

概要

不整脈時の時空間ダイナミクスの初期の研究により、心細動時の複雑な電気パターンは、渦のような回転励起波によって駆動されることが明らかになりました¹。この発見は、不整脈の根底にあるメカニズムについての新しい洞察を与え、心筋の多部位興奮に基づく新しい電気的終結療法の開発につながりました^2,3,4。ただし、電界刺激を使用した治療は非局所的であり、筋肉組織を含む周囲のすべての興奮性細胞を神経支配し、細胞および組織の損傷、および耐え難い痛みを引き起こす可能性があります。電気療法とは対照的に、光遺伝学的アプローチは、心筋細胞の活動電位を高い空間的および時間的精度で誘発するための特異的で組織保護的な技術を提供します。したがって、光遺伝学的刺激は、心臓細動中のカオス的活性化パターンの最小限の侵襲的制御の可能性を秘めています。

遺伝子操作^5,6,7を介して興奮性細胞に光感受性イオンチャネルロドプシン-2(ChR2)を導入することで、光刺激を使用して興奮性細胞の膜電位の脱分極が可能になりました。ニューロンネットワークの活性化、心臓活動の制御、視力および聴覚の回復、脊髄損傷の治療などを含むいくつかの医学的用途が開発されている8,9,10,11,12,13,14。心臓病学におけるChR2の応用は、そのミリ秒の応答時間¹⁵のために大きな可能性を秘めており、不整脈心ダイナミクスの標的制御に非常に適しています。

この研究では、トランスジェニックマウスモデルの無傷の心臓のマルチサイト光刺激が示されています。要約すると、トランスジェニックα-MHC-ChR2マウス株は、欧州共同体の第7次フレームワークプログラムFP7 / 2007-2013(HEALTH-F2-2009-241526)の範囲内で確立され、S.E.Lehnart教授によって親切に提供されました。一般に、α-MHCの制御下でCre-リコンビナーゼを発現するトランスジェニック成体雄C57/B6/Jは、雌の B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm27.1(CAG-COP4*H134R/tdトマト)Hye/Jと対になっていた。心臓STOPカセットは第2世代で欠失したため、子孫は安定したMHC-ChR2発現を示し、心臓感光性コロニーを維持するために使用されました。全ての実験は、36〜48週齢の両性の成体マウスを用いて行われた。照明は、シリコンベースのハウジングおよび短い光ガラスファイバが実装されていないことを除いて、^16,17で説明したように製造された3×3マイクロLEDアレイを用いて達成される。心臓アプリケーションでの最初の使用法は¹⁸で発見されました。同様の製造技術に基づく線形マイクロLEDアレイが、心臓ペーシング¹⁹のための貫通プローブとして適用されている。マイクロLEDは、550μmピッチで3 x 3アレイに配置され、非常に小さな領域で高い空間分解能と高い放射電力の両方を提供します。著者らは、この研究で、新しい抗不整脈治療法を開発するための道を開く可能性のある、用途の広い局所多部位光刺激を示しています。

以下の実験プロトコルには、逆行性ランゲンドルフ灌流ex vivoが含まれ、そのためにカニューレ大動脈が灌流入口として機能します。加えられた灌流圧と心臓収縮のために、灌流液は大動脈から分岐する冠状動脈を通って流れています。提示された研究では、灌流液リザーバーを1 mの高さ(73.2 mmHgに相当)に上げることによって達成される定圧セットアップを使用して心臓を灌流し、2.633 ± 0.583 mL / minの流量になります。実験中、2種類のTyrode溶液が灌流液として使用されます。通常のTyrodeのソリューションは安定した洞調律をサポートしますが、Low-K ⁺ Tyrodeのソリューションはピナシジルと混合して、マウスの心臓に不整脈を誘発することができます。六角形のウォーターバスを使用することで、6つの異なる平面窓を通して心臓を観察することができ、屈折による歪みの少ない複数の光学部品の結合が可能になります。

プロトコル

すべての実験は、ドイツの法律、地域の規定、および欧州実験動物科学協会連盟(FELASA)の勧告に従って、動物福祉規則に厳密に従いました。動物実験の承認申請は、担当の動物福祉当局によって承認され、すべての実験は動物福祉担当者に報告されました。

1. 実験準備と材料

1. 光学マッピングのセットアップ
   メモ: オプティカルセットアップと電気セットアップを 図1に示します。光学および電気のセットアップで使用されるすべてのコンポーネントは、材料の表に詳細に記載されています。
   1. LED1とLED2を使用して、不整脈の誘発とバックアップ除細動を行います。ChR2⁶の励起波長のピークである475nm付近の波長λ_青色の高出力LEDを選択してください。光スペクトルをさらに狭めるには、470 ± 20 nmのバンドパスフィルターを使用します。
      注:データシート²⁰によると、この作業では、LED1とLED2の典型的な放射束は3.9〜5.3Wです。
   2. 中心波長λ赤色=625nm、放射束700mWの光を放射する高出力_赤色LED(図1のLED 3)で光学マッピング用の心外膜を照明します²¹。赤色光は628±20nmのバンドパスフィルターでフィルタリングされ、カットオフ波長_λDM = 685nmのロングパスダイクロイックミラー(DM)で反射されます。
   3. カメラ対物レンズの前にλフィルターカム=775±70 nmの発光_{フィルター}を使用して、心臓活動の蛍光発光のみを記録します。低照度用途に適した高速対物レンズを使用してください。
      注:マウスの心臓の細動の頻度は20〜35Hzの範囲です。したがって、1〜2kHz以上の周波数で録画するのに十分な速度のカメラを使用してください。
2. マイクロLEDアレイ
   注:ここで適用されるマイクロLEDアレイは、他の場所でさらに詳しく説明されている^ように、マイクロシステム処理を使用して実現されます^16,17。
   1. 厚さ5μmのポリイミド(PI)層を4インチのシリコン基板(片面研磨、厚さ525μm)にスピンコートします。
   2. このPI層を窒素雰囲気下で最高温度450°Cで硬化させる。最高温度を10分間一定に保ちます。
   3. 紫外(UV)リソグラフィーとスパッタを用いて画像反転フォトレジスト(PR)を成膜し、250nmの薄い白金層(Pt)を成膜します。
   4. このPtベースのメタライゼーションを厚くし、厚さ1μmの金(Au)層を電気めっきし、パターン化されたPRをマスキング層として使用します。
   5. 第2のPI層をスピンコーティングする前に、第1のPI層とAu電気メッキメタライゼーションを備えたウェーハを、PI層の表面を化学的に活性化する酸素プラズマにさらします。
   6. 2番目のPI層を450°Cで再度硬化させ、UVリソグラフィを適用してPR層をパターン化し、パターン化されたPRをマスキング層として使用して反応性イオンエッチング(RIE)により、マイクロLEDチップとインターフェースプリント回路基板(PCB)のアレイのコンタクトパッドを開きます。
      注意: このRIEプロセスステップでは、コンタクトパッドの開口部と2次元(2D)マイクロLEDアレイの外形を定義するために、それぞれ200Wと100Wを10分と30分間適用することをお勧めします。
   7. 溶剤とプラズマエッチングを使用してPRを剥がします。さらに厚さ6μmの金層を電気めっきして、コンタクトパッドをさらに厚くします。
   8. フリップチップボンダーを使用して、マイクロLEDチップをコンタクトパッドに取り付けます。
   9. 酸素プラズマでPI表面を活性化し、マイクロLEDチップを無溶剤接着剤でアンダーフィルします。その後、接着剤を120°Cで12時間硬化させます。
   10. マイクロLEDチップをカプセル化するには、アルゴンで別のプラズマ処理を行い、薄いフルオロポリマー層を手動で塗布します。この層を80°Cで1時間予備硬化します。
   11. マイクロLEDアレイを酸素プラズマにさらした後、最終的なカプセル化層としてシリコーンを手動で塗布し、下にあるフルオロポリマー層へのシリコン接着性を向上させるために使用されます。シリコーン層を80°Cと180°Cでそれぞれ1時間硬化させます。これらの最終硬化工程はまた、フルオロポリマー層を完全に硬化させる。
   12. PI基板のコンタクトパッドを、アレイを外部計測器に相互接続するためのストリップコネクタを備えたプリント回路基板にはんだ付けします。接着剤を使用してPCB上のはんだパッドを覆います。
3. 電気設備
   1. 心電図(ECG)の記録に適した電極、例えば銀/塩化銀電極または単相活動電位(MAP)電極とECGアンプを使用して、心臓の電気的活動を継続的に監視します。さらに、適切なアクイジションデバイス(AD)を使用して、取得したすべての電気信号を記録します。
   2. 各デバイスに印加される最大電流を管理できる高出力LED(LED 1、LED 2、およびLED 3)に最適なドライバを選択してください。任意関数発生器(AFG)を使用して、LEDドライバの出力を正確に制御します。
   3. マルチチャネルLEDドライバを使用して、マイクロLEDアレイを流れる電流を制御します。複数の出力を持つAFGもこのタスクに適しています。
      注意: 電流をマイクロLEDの最大電流に制限するLEDドライバを選択することをお勧めします, そうしないと、ダイオードが損傷する可能性があります.マルチチャネルマイクロLEDドライバの一例は、別の著作物¹⁸に記載されている。必要に応じて、AFGまたはその他のLEDドライバをコンピュータに接続して、マイクロLED設定をリモート制御することができます。この場合、LEDドライバを、汎用インタフェースバス(GPIB)やシリアル接続など、選択した通信プロトコルを使用してコンピュータに接続します。

   

2. 実験手順

1. 溶液調製
   1. タイロード溶液の調製:130 mM NaCl、4 mM KCl、1 mM MgCl 2、24 mM NaHCO₃、1.8 mM CaCl 2、1.2 mM KH₂ PO ₄、5.6 mM グルコース、0.1% BSA/アルブミン。
   2. Low-K⁺ タイロードの溶液を準備する: Low-K⁺ タイロードの溶液は、KClの半分の量しか添加されないことを除いて、通常のタイロードの溶液と同じ方法で作成されます(4 mM KClではなく2 mM)。
      注:3時間続く実験の場合、通常2〜3 LのLow-K ⁺ Tyrod(光学マッピングが実行されている場合はさらにブレビスタチン(ステップ2.1.5)と混合されます)および1〜2Lの通常のTyradeで十分です。
   3. ピナシジルをLow-K ⁺ Thirodeの溶液に加えて、²²に記載されているように不整脈誘発のプロセスを容易にし、100 mM濃度を取得します。.ピナシジルを取り扱うときは、保護実験用手袋を着用してください。.
   4. 通常のタイロード溶液で1 mLの50 μM DI-4-ANBDQPQを調製します。光退色を防ぐために染料を光から保護します。
   5. ブレビスタチンの10 mMストック溶液を作ります。光学マッピングのために、ブレビスタチンを100 mMピナシジル-チロード溶液(ステップ2.1.3)と混合して、5 μM溶液を得ます。ブレビスタチンを取り扱うときは、保護実験用手袋を着用してください。.
      注意: 光学マッピングが始まるまで、染料とブレビスタチン溶液の両方を脇に置いておきます。
2. ランゲンドルフ灌流
   注:セットアップは、2つのTyrodeのソリューション用の2つのリザーバーで構成されています。それらは、三方コックを備えたチューブを介してバブルトラップに接続されています。心臓は後でルアーロックコネクタによってバブルトラップに取り付けられ、六角形の水浴に吊り下げられます。次に、水浴は、使用済みのTyrodeの溶液を収集するために廃棄物容器に接続されています。
   1. すべての実験の前に、完全に脱塩された水ですべてのチューブを清掃してください。
   2. 実験を開始する前に、両方のTyrode溶液をカルボーゲン(5%CO2および95%_O2)で室温で30分間通気します。タイロード溶液のpH値をNaOHで7.4に調整します。
   3. 各Tyrodeの溶液を対応するリザーバーに500 mL充填し、チューブまたはバブルトラップに閉じ込められた気泡が見られなくなるまで、灌流システムにTyrodeの溶液を流して、チューブとバブルトラップを脱気します。
   4. Carbogenを使用したリザーバーでの実験全体を通してTyrodeの溶液を通気し続け、灌流液のpHが後で灌流中に安定していることを確認します。
   5. 灌流システムを水ヒートポンプで37°Cに加熱します。防水加熱ケーブルなどの追加の発熱体を使用して、水浴内の灌流液温度を一定に保ちます。
      注:実験中は、Tyrodeの貯水池が空になる前に補充することが重要です。そうしないと、気泡が心臓に入り、血管を詰まらせて虚血を引き起こす可能性があります。
3. マウスの準備
   1. 心臓隔離手順の30分前に500 IEヘパリン0.1 mLを皮下注射します。.
   2. 6 cmのペトリ皿と2 mLのシリンジに氷冷したタイロード溶液を入れます。実体顕微鏡の下に置きます。
   3. 飽和イソフルラン環境でマウスの短時間麻酔を2分間行い、その後すぐに頸部脱臼を行います。.
      注:十分な麻酔を確認するためには、負のつま先間反射のチェックが絶対に必要です。
   4. 胸を開き、他の場所²³で説明されているように心臓を取り除き、氷のように冷たいTyrodeの溶液を入れた6cmのペトリ皿に入れます。温度低下により心臓の鼓動が減少します。
   5. 他の場所で詳述されているように、実体顕微鏡下で細かい準備を行います²³.大動脈を鈍い針に取り付け、縫合材料で血管を固定します。
   6. 対照として、氷のように冷たいTyrodeの溶液を針を通して心臓に注入し、心臓がしっかりと取り付けられていることを確認します。このステップはまた、心臓から残りの血液を洗い流します。
   7. マウントされた心臓を灌流システムに移します。針をバブルトラップに接続している間、空気が心臓に入るのを防ぐために灌流液が流れていることを確認してください。心臓が水浴中のTyrodeの溶液で覆われていることを確認してください。手順 2.3.4、2.3.5、および 2.3.7 を 図 2 に示します。
   8. 数分以内に心臓が鼓動し始めることを確認してください。心臓を灌流設定に15〜20分間適応させてから、ピナシジルを含む低K + Tyrodeの溶液(ステップ2.1.3)に切り替えます 光学マッピングを実行する場合は、ピナシジルとブレビスタチンを含むlow-K ⁺ Tyrodeの溶液(ステップ2.1.5)に切り替えます。
4. 不整脈誘導と光解動
   1. 良好な信号品質を確保するために、ECG電極の1つを心臓表面のできるだけ近くに配置します。2番目のECG電極をタイロードの溶液に吊り下げます。取得したECGが選択したADによって記録されていることを確認してください。
   2. マイクロLEDアレイを研究の対象領域、たとえば左心室に配置します。
   3. 灌流をピナシジルを含む低K ⁺ チロードに変更し、心臓を15〜30分間灌流します。.
   4. 不整脈を誘発するには、周波数f indが25〜35 Hz、パルス持続時間W_indが2〜15 ms、光強度LI_{opt_ind}が2.8 mW ^mm-2の20〜50光パルスの列で、LED1とLED2で心臓を照らします。
   5. 不整脈が誘発されるまでこのプロセスを繰り返します。
      注:不整脈は、信号の周波数と形態が通常の洞調律とは異なるため、ECG信号で簡単に識別できます。不整脈が次の5秒以内に終了した場合は、自己終了として分類し、新しい誘導の試みを開始します。
   6. 持続的な不整脈が視覚的に検出されたら、アレイの3つ、6つ、または9つのマイクロLEDを使用して、15 mAのパルス電流Iパルスで異なる幅Wdefおよび周波数_fdefの_パルスのバーストを適用し、光強度LI_μLED = 33.31 ± 2.05 mW ^mm-2になります。
   7. 5回のマイクロLEDアレイベースの除細動試行後も不整脈が続く場合は、その試みを失敗として分類し、バックアップ除細動を開始します。
   8. バックアップ除細動には、マイクロLEDアレイに設定されているのと同じタイミングパラメータを使用して、LED1とLED2を使用します。
      注:心臓は実験期間全体にわたって虚血性および代謝性ストレスにさらされるため、バックアップ除細動でも不整脈の終了の試みが失敗する可能性があります。これが起こるときはいつでも、灌流溶液を通常のタイロードの溶液に変更し、心臓を5〜10分間回復させます。ECGが洞調律に戻ったら、ステップ2.4.3のプロトコルをもう一度繰り返します。
5. オプティカルマッピング
   1. ステップ2.1.5で調製したブレビスタチン溶液で心臓を灌流し、機械的脱役が発生するまで待ちます。.これは、心臓の鼓動が停止したときに達成されますが、ECG信号はまだ測定可能です。
      注:ブレビスタチン溶液を上記の濃度に混合し、心臓をこの溶液で灌流し続けると、実験全体を通して電気的活動から切り離された心臓の機械的活動が維持されます。
   2. 1 mLの電圧色素DI-4-ANBDQPQ(ステップ2.1.4で調製)を、ランゲンドルフ灌流のバブルトラップのボーラスとして与えます。染料が心臓に均一に灌流されるまで5〜10分待ちます。
      注意: 録音が行われていないときはいつでも赤色光を消して、染料の光退色を避けてください。録音の信号対雑音比が小さすぎる(集録した信号のノイズが多すぎる)場合は、手順2.1.4と2.5.2を繰り返します。
   3. カメラを心臓の表面に焦点を合わせ、LED 3をオンにして、1.27 mW ^mm-2 の光パワーを適用します。
   4. 実験室の照明を消して録音を開始します。取得した信号の周波数を記録されたECGの周波数と比較して、光信号が取得されていることを確認します。これにより、得られた光信号が純粋に心臓の電気的活動に関連していることが保証されます。
      注:色素が発する蛍光は非常に一週間であるため、光学マッピングは暗い部屋で行われます。これにより、他の光源からの信号干渉が回避されます。

結果

このプロトコルは、LED 1とLED 2(図1)によって生成された光刺激パルスを使用して、無傷のマウス心臓に心室性不整脈を誘導し、周波数f indは25 Hz〜35 Hz、パルス持続時間W_indは2ミリ秒から10ミリ秒です。このような急速な光パルスの目的は、心臓のリズムを捉えることではなく、心臓活動のバランスを崩して不規則な電波を発生させ、不整脈を促進すること?...

ディスカッション

心臓頻脈性不整脈の治療の成功は、心臓治療の鍵です。しかし、不整脈の開始、永続化、終了の根底にある生物物理学的メカニズムは完全には理解されていません。したがって、心臓研究は、不整脈のより穏やかな終了に向けて電気ショック療法を最適化し、それによって患者の生活の質を向上させることを目的としています28,29,30,31。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chemical Components
Blebbistatin	TargetMol	T6038	10 mM stock solution
BSA/Albumin	Sigma-Aldrich	A4919
Calcium Chloride	Sigma-Aldrich	C1016	CaCl2
Carbogen	Westfalen		50 l bottle
DI-4-ANBDQPQ	AAT Bioquest	21499	Dye for Optical Mapping
Glucose	Sigma-Aldrich	D9434	C6H12O6
Heparin	LEO Pharma		Heparin-Natrium Leo 25.000 I.E./5 ml, available only on prescription
Hydrochlorid Acid	Merck	1.09057.1000	HCl, 1 M stock solution
Isoflurane	CP Pharma		1 ml/ml, available only on prescription
Magnesium Chloride	Merck	8.14733.0500	MgCl2
Monopotassium Phosphate	Sigma-Aldrich	30407	KH2PO4
Pinacidil monohydrate	Sigma-Aldrich	P154-500mg	10 mM stock solution
Potassium Chloride	Sigma-Aldrich	P5405	KCl
Sodium Bicarbonate	Sigma-Aldrich	S5761	NaHCO3
Sodium Chloride	Sigma-Aldrich	S5886	NaCl
Sodium Hydroxide	Merck	1.09137.1000	NaOH, 1 M stock solution
Electrical Setup
Biopac MP150	Biopac Systems	MP150WSW	data acquisition and analysis system
Custom-built ECG, alternative ECG100C	Biopac Systems	ECG100C	Electrocardiogram Amplifier
Custom-built water bath heater using heating cable	RMS Heating System	HK-5,0-12	Heating cable 120W
Hexagonal water bath
LED Driver Power supply	Thorlabs	KPS101	15 V, 2.4 A Power Supply Unit with 3.5 mm Jack Connector for One K- or T-Cube.
LEDD1B LED Driver	Thorlabs	LEDD1B	T-Cube LED Driver, 1200 mA Max Drive Current
MAP, ECG Electrode	Hugo Sachs Elektronik	BS4 73-0200	Mini-ECG Electrode for isoalted hearts
micro-LED Driver e.g. AFG	Agilent Instruments	A-2230	Arbitrary function generator (AFG)
Signal Generator	Agilent Instruments	A-2230	AFG
micro-LED Array Components
Epoxid glue	Epoxy Technology	EPO-TEK 353ND	Two component epoxy
Fluoropolymer	Asahi Glass Co. Ltd.	Cytop 809M	Fluoropolymer with high transparency
Image reversal photoresist	Merck KGaA	AZ 5214E	Image Reversal Resist for High Resolution
LED chip	Cree Inc.	C460TR2227-S2100	Blue micro-LED
Photoresist	Merck KGaA	AZ 9260	Thick Positive Photoresists
Polyimide	UBE Industries Ltd.	U-Varnish S	Polyimide Solution
Silicone	NuSil Technology LLC	MED-6215	Low viscosity silicone elastomer
Solvent free adhesive	John P. Kummer GmbH	Epo-Tek 301-2	Epoxy resin with low viscosity
Optical Mapping
Blue Filter	Chroma Technology Corporation	ET470/40x	Blue excitation filter
Camera	Photometrics	Cascade 128+	High performance EMCCD Camera
Camera Objective	Navitar	DO-5095	Navitar high speed fixed focal length lenses work with CCD and CMOS cameras
Dichroic Mirror	Semrock	FF685-Di02-25x36	685 nm edge BrightLine® single-edge standard epi-fluorescence dichroic beamsplitter
Emmision Filter	Semrock	FF01-775/140-25	775/140 nm BrightLine® single-band bandpass filter
Heatsink	Advanced Thermal Solutions	ATSEU-077A-C3-R0	Heat Sinks - LED STAR LED Heatsink, 45mm dia., 68mm, Black/Silver, Unthreaded Baseplate Hardware
LED 1 and LED 2	LED Engin Osram	LZ4-00B208	High Power LEDs - Single Colour Blue, 460 nm 130 lm, 700mA
LED 3	Thorlabs	M625L3	625 nm, 700 mW (Min) Mounted LED, 1000 mA
Lenses	LED Engin Osram	LLNF-2T06-H	LED Lighting Lenses Assemblies LZ4 LENS NARROW FLOOD BEAM
Photodiode for power meter	Thorlabs	S120VC	Standard Photodiode Power Sensor
Power Meter	Thorlabs	PM100D	Compact Power and Energy Meter
Red Filter	Semrock	FF02-628/40-25	BrightLine® single-band bandpass filter